高溫氣體過濾技術及裝備發展概況

姬忠禮，欒鑫，苗林豐

（1 中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249；2 過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京102249）

依據德國標準VDI 3677，高溫氣體是指溫度高于260°C的氣體[1-2]，通常需要選用多孔陶瓷材料或多孔金屬材料過濾元件。目前以多孔陶瓷材料或多孔金屬材料為核心過濾元件的高溫氣固分離技術已可除凈1μm 以上的固體顆粒，凈化后氣體濃度小于5mg/m3，已廣泛應用于煤氣化、催化裂化、生物質氣化、垃圾焚燒和熱解及冶金等各個行業，但大型工程用過濾分離設備的設計和溫度在600°C以上時過濾元件的運行可靠性等方面，仍存在不少亟待解決的關鍵難題。

1 高溫氣固分離技術概況

1.1 高溫氣固分離技術的發展歷程

20世紀70年代末和80年代初，以增壓循環流化床燃燒（PFBC） 和整體煤氣化聯合循環（IGCC）為代表的兩種新型聯合循環發電技術中均涉及高溫氣固分離這一關鍵難題[3]。在PFBC 工藝中，其高溫燃氣的溫度可達850°C，操作壓力為1.1～2.6MPa，為氧化性氣氛；在IGCC工藝中，其高溫合成氣溫度為350～400°C，操作壓力為2.0～3.0MPa，為還原性氣氛。由于兩種聯合循環發電技術工況復雜，很難達到燃氣輪機凈化要求和環保排放標準，因此，各國學者基于PFBC和IGCC、垃圾焚燒等有關高溫凈化工藝和環境保護方面的技術需求，相繼開展了相關高溫氣體凈化技術研發、小型熱態試驗及示范裝置試驗，并于1986 年在英國的Surry大學舉辦了第一屆高溫氣體凈化國際會議，會議內容集中在慣性分離器、陶瓷過濾器、靜電除塵器、布袋過濾器及顆粒層過濾器等。截止至2010年，該高溫氣體凈化會議已舉辦了八屆。

隨著高溫氣體過濾技術的發展，高溫氣固分離設備可分為三類：第一類是以旋風分離器為代表的慣性分離設備；第二類是以陶瓷粉末過濾器和顆粒層過濾器為代表的過濾分離設備；第三類則為靜電除塵器。表1為高溫氣固過濾與分離技術的分類及其特點[4-8]。

表1 高溫氣固過濾與分離技術的分類及其特點

1.2 高溫氣固分離技術的應用場合

針對煤化工、石油化工及冶金等行業中的產品質量升級、余熱利用以及顆粒物環境排放標準對高溫氣固分離技術的需求，高溫氣固分離技術不僅在PFBC和IGCC工藝中得到了普遍應用，而且在生物質氣化、催化裂化、垃圾焚燒及熱解等領域也得到了廣泛推廣，其主要應用領域及適用條件如表2所示[1,9]。

由于一些除塵工藝的特殊性，例如高溫、高壓、大的處理氣量以及過濾精度的高要求等，以陶瓷或金屬過濾管為核心部件的剛性過濾器成為了這些應用場合的最優選擇，而其他高溫氣固分離技術難以滿足其工藝需求。以下是高溫過濾器的三個典型應用場合。

（1）殼牌干法煤氣化工藝 Shell 煤氣化工藝的產物是以H2和CO為主要成分的合成氣，過濾器入口氣體含塵濃度大于20g/m3，操作溫度340℃，操作壓力4.0MPa，核心過濾元件為Dia-Schumalith 10-20 型陶瓷濾管或Fe3Al 粉末燒結過濾管，采用分組反吹的方式，反吹氣體壓力約為操作壓力的2～2.2 倍，凈化后氣體含塵濃度在1～2mg/m3。目前單臺過濾器內的過濾管組數常為12、15 和24組，相應的過濾管根數分別為576、720、1152。

表2 高溫氣固分離技術的應用領域

（2）催化裂化汽油吸附脫硫工藝 催化裂化汽油吸附脫硫（S-Zorb）工藝生產國Ⅴ汽油可使含硫量小于25μg/g，具有辛烷值損失小、氫耗低和能耗低等特點[10]。S-Zorb工藝用高溫氣固過濾器用于分離高溫工藝氣中的吸附劑，氣體溫度為260～440℃，過濾精度為1.3μm，過濾效率要求不小于99.97%，其核心過濾元件為燒結金屬多孔濾芯，采用脈沖反吹技術實現濾芯的循環再生。

（3）催化裂化煙氣能量回收工藝 在催化裂化裝置煙氣能量回收系統中，由再生器排出的高溫煙氣溫度為600～650℃、壓力為0.2～0.3MPa，用高溫金屬粉末過濾器代替第三級旋風分離器可使凈化后進入煙機的粉塵濃度小于30mg/m3，滿足煙氣排放要求和煙氣輪機葉片保護要求。

2 高溫氣固過濾元件概況

2.1 高溫氣固過濾元件的發展歷程

Alvin 將高溫過濾技術的發展劃分為四個主要階段，即20世紀70年代的金屬過濾材料、80年代的均質陶瓷過濾材料、90 年代的連續纖維增強陶瓷基復合材料及2000 年開始的金屬間化合物材料[11-12]。20世紀70年代，Hastelloy X 合金已用于制備高溫過濾管，但在進行高溫性能試驗時，發現金屬合金過濾管存在氧化或腐蝕加快、拉伸強度降低和承載能力減弱等問題。20 世紀80 年代，研究的重點轉為制備均質陶瓷粉末過濾管，但由于長周期運行的熱疲勞影響及溫度變化帶來的熱沖擊作用，陶瓷粉末過濾管易發生失效。針對上述問題，20世紀90 年代中期研發了第二代非氧化物基和氧化物基陶瓷過濾管，熱態運行試驗結果表明，雖然第二代陶瓷過濾管的斷裂韌性和抗蠕變性能等得到了明顯改善，但非氧化物基陶瓷材料的氧化易導致過濾管的脆性斷裂失效。到了20 世紀90 年代末期，針對陶瓷過濾管存在材料的脆性和熱應力失效問題，開始利用金屬合金材料和金屬間化合物材料制備高溫過濾管，并達到了不錯的效果。

2.2 高溫氣固過濾元件的結構形式

高溫氣固過濾元件的結構可分為圖1所示的試管式、通管式、錯流式及蜂窩式等[13]。試管式過濾元件的一端為封閉結構，含塵氣體由外部徑向進入過濾管壁，凈化后氣體由內部向上流動排出；通管式過濾元件則為兩端開口結構，含塵氣體在過濾管內部由上向下流動過程中，逐漸由過濾管內部徑向向外流動實現氣體過濾；錯流式過濾元件的含塵氣體通道面與凈化氣體通道垂直，含塵氣體由過濾元件外側穿過過濾元件壁面，凈化后氣體由內部向下流動；在蜂窩式過濾元件中，含塵氣體進入含塵通道內，逐漸穿過過濾壁后進入凈化氣體通道，含塵氣體在含塵通道的流動方向與凈化后氣體在凈化通道內的流動面平行。

2.3 高溫陶瓷過濾元件

2.3.1 陶瓷粉末過濾元件

陶瓷粉末過濾元件具有機械強度高、耐腐蝕性能好和耐高溫性能強等優點，按結構可劃分為對稱結構和非對稱結構，對稱結構即為沿整個過濾管厚度方向孔徑分布均勻，或稱為單層結構；非對稱結構為在單層材料外表面覆上一層或多層具有更小孔徑的過濾膜層，起到表面過濾作用。目前試管式陶瓷過濾管多為雙層結構，內層為孔徑較大、厚度為8～15mm 的支撐體，以保證過濾管的強度；在支撐體的外表面加一層孔徑較小、厚度僅為100～250μm的陶瓷膜，以實現表面過濾。以美國Pall公司生產的Dia-Schumalith 10-20 型SiC 陶瓷過濾管為例，其尺寸為60/40×1500mm，孔隙率為38%，密度為1.85g/cm3，內層支撐體的平均孔徑大于100μm，外層過濾膜的平均孔徑約為10μm。

圖1 高溫氣固過濾元件的結構形式［13］

2.3.2 陶瓷纖維過濾元件

相比于陶瓷粉末過濾元件，陶瓷纖維過濾元件具有斷裂韌性好、重量輕、孔隙率高、成本低等優勢。美國IF&P公司和英國Foseco公司在20世紀80年代采用真空抽濾成型的方法制備出了陶瓷纖維剛性過濾管，其過程首先將陶瓷纖維短切均化后與黏結劑等配成漿料，均勻混合后注入模具中，通過在模具內部形成的真空，使陶瓷纖維漿料定形，再將定形后的陶瓷纖維過濾管脫模和干燥，經高溫燒結制成剛性陶瓷纖維過濾管。以德國BWF 公司的Pyrotex KE85 型過濾管為例，纖維平均直徑約為3.2μm，過濾管孔隙率可以達到90%以上，密度為180kg/m3，耐溫可達800℃以上，凈化后顆粒物濃度小于1mg/m3。

2.4 高溫金屬過濾元件

2.4.1 金屬粉末燒結過濾元件

金屬燒結粉末過濾元件具有較好的抗熱震性和機械沖擊性能。常用金屬粉末燒結過濾管的制備工藝包括原始粉末制備和處理、等靜壓成形或模壓成形和高溫燒結等過程。目前金屬粉末燒結過濾元件常采用等靜壓成形和粉末軋制兩種工藝。等靜壓燒結金屬粉末過濾元件孔隙率可達30%～50%，厚度2.0～4.0mm，具有良好的透氣性，密度和厚度分布均勻；粉末軋制燒結金屬粉末過濾元件孔隙率可達20%～50%，厚度0.8～4.0mm，厚度與孔隙率可控，加工成本低。

安泰科技股份有限公司采用濕法噴涂與真空燒結工藝，制備出了Fe3Al 金屬間化合物粉末燒結的非對稱結構過濾管。該Fe3Al 過濾管結構類似于雙層碳化硅過濾管，內層基體厚度為5～6mm，主要起支撐作用，外層過濾膜的厚度為200μm[14-15]。表面膜層采用濕法噴涂與真空高溫燒結工藝，膜層粉末選用與基體化學成分相同的Fe3Al 氣霧化細粉，燒結后膜層的平均孔徑僅為基體孔徑的25%。在孔徑接近的情況下，非對稱結構與均質結構相比，其滲透性能增加了約3 倍；與美國Pall 公司的Schumalith 陶瓷過濾管相比，孔徑更加均勻，滲透性能也有明顯提高[14]。

2.4.2 金屬纖維燒結過濾元件

金屬纖維燒結過濾元件具有滲透性好、清灰效率高、有效過濾面積大等優勢，可以通過單層或由不同直徑的纖維組成多層結構以滿足對過濾氣體阻力、過濾效率和容塵量及過濾管強度等性能要求。通常工業用金屬纖維燒結過濾管的厚度為0.5～2.0mm，其透氣率高，氣體阻力明顯低于金屬粉末燒結過濾材料。在加工成過濾管時，將纖維層纏繞在金屬多孔篩管支撐體表面，在外表面再采用金屬網將過濾氈包覆，使內部絲網與多孔支撐件連接，外部直接與含塵氣體接觸，保護過濾層。

2.4.3 多層金屬絲網過濾元件

多層金屬絲網燒結過濾元件通常是由3～6 層金屬編織絲網平鋪疊合后，經過軋制成形和高溫燒結后形成的具有剛性結構的非對稱多孔材料。以五層金屬絲網燒結過濾元件為例，第一層為安全保護層，由直徑較粗的金屬絲形成較大網孔；第二層為過濾阻擋層，用于控制微孔材料的過濾精度；第三層為流體分布層，使得較小顆粒能夠迅速通過進入下游；第四層和第五層為由直徑較大的金屬絲網形成的支撐層，提高濾材整體機械強度。

2.5 催化反應與顆粒物分離的復合過濾元件

目前催化反應與顆粒物分離復合元件主要應用在以下三種情況：①煙氣排放處理過程的氮氧化物脫除和煙塵凈化；②生物質氣化合成氣處理過程中催化裂解焦油轉化與顆粒物分離；③催化燃燒反應中脫除可揮發性有機化合物（VOCs）和分離粉塵顆粒。利用試管式陶瓷過濾管的耐高溫、過濾精度高及氣體過濾速度較低等特點，在陶瓷過濾管的支撐體孔隙通道內負載相應的催化劑，最后通過干燥和燒結等工藝制備成催化與過濾復合元件。當煙氣流經復合元件時，固體顆粒物沉積在過濾管外表面形成粉塵層，可通過脈沖反吹進行清除。而氣體中的NOx、焦油或VOCs 穿過元件內部孔道時，在壁面的催化劑上發生催化反應生成無毒無污染的氣體。近二十年來，催化與過濾復合元件得到了發展，甚至在有些地方得到了初步小規模應用，其中關于氮氧化物與顆粒物協同脫除的研究較多。

2.5.1 脫NOx與除塵復合

美國Tri-Mer 公司采用溶膠-凝膠工藝制備出的負載有脫硝催化劑的陶瓷纖維過濾管已得到工程應用，如圖2 所示。氣體中的NOx與加入的NH3還原劑反應生成N2和水，實現了顆粒物分離與脫硫脫硝工藝的一體化，凈化后的顆粒物濃度可以降低2mg/m3以下，HCl 脫除效率達到97%，SO2脫除率達到95%，NOx脫除率達到95%。韓國Gyeongsang 國立大學Choi 等[16-19]一直致力于新的復合技術的開發以及催化劑活性溫度窗口的低溫化，研究發現一步法（即直接將制備好催化劑球磨后浸漬到過濾元件中）制備的復合元件不僅制備工藝簡單且較其他方法性能也更優異，金屬Pt 加入到V2O5-WO3/TiO2催化劑中可有效將催化劑的活性窗口從260～350℃轉移到150～280℃，該溫度區間內脫硝率超過99%。美國Pall 公司Heidenreich等[20]探索了實際應用過程中操作工況對復合元件性能的影響，如煙氣的溫度、表觀氣速以及NO濃度等。

2.5.2 脫焦油與除塵復合

生物質氣化以過程中以及焦爐煤氣中會生成副產物焦油，最常用的方法是催化重整，即在700～900℃的溫度區間內，催化劑可使焦油組分與H2O或CO2反應生成CO 和H2。美國Pall 公司自2005 年以來一直進行催化重整生物質焦油與陶瓷過濾管顆粒物分離一體化技術方面的研究工作，在小型實驗裝置和實際工業工況下，測定了陶瓷過濾管與多種催化重整反應元件組合結構的焦油轉化率和氣體阻力等性能參數，重點分析了催化劑類型、催化劑負載量、氣體操作溫度、H2S含量和氣體過濾速度等參數對焦油轉化率的影響[21]。如圖3所示，目前復合元件的結構形式主要有兩種，一種是通過浸漬法將催化劑負載到過濾管內部孔隙中，另一種則是在過濾管內部安裝由催化劑組成的固定床反應器或者是負載有催化劑的泡沫陶瓷[22-24]。

圖2 負載有脫硝催化劑的陶瓷纖維過濾管

2.5.3 脫VOCs與除塵復合

可揮發性有機物（VOCs）種類繁多，主要包括烷烴、芳香烴和烯烴等，目前多采用Pt 和Pd 貴金屬催化劑在較低廢氣濃度和操作溫度下對其進行脫除。Nacken等[25]在進行催化脫硝與顆粒物分離一體化技術研究時，通過將Pt/V2O5催化劑負載到陶瓷粉末過濾管支撐體內，研究了其催化性能，當過濾速度為2cm/s 和丙烯含量為300μl/L 時，可以全部脫除以丙烯為主要成分的VOCs。

圖3 催化與過濾復合元件的結構形式

3 高溫過濾器發展概況

3.1 高溫過濾器的過濾排布形式

3.1.1 單層結構過濾器

德國Schumacher和美國Pall公司設計的高溫過濾器，其內部的過濾管為單層排布方式。例如荷蘭Buggenum IGCC 電站[26]、美國Wabash River IGCC 電站側線[27]及美國Tampa IGCC 電站[28]等所用的過濾器，目前我國引進的20 余套Shell 煤氣化工藝用高溫過濾器也均為單層結構形式。

3.1.2 多束多層結構過濾器

西門子西屋電力公司設計的過濾器內過濾管以多束并聯方式布置，每束將2～4 層過濾管組垂直串聯在一起，每層的過濾管組由一套脈沖反吹系統同時進行清灰。例如美國的Tidd PFBC 試驗電站[29]和Pi?onpine IGCC電站[28]、芬蘭的Karhuala PFBC電站[30]及美國Wilsonville 動力系統研發平臺[31]等所用的過濾器。

3.1.3 倒置式結構過濾器

LLB公司設計的過濾器結構特點是每根過濾管以倒置方式排布，過濾管易更換、可多層排布，整體結構緊湊，單個壓力容器可安裝2000 根以上濾管。例如德國的HTW 氣化裝置[32]、Babock 公司的15MWt PCFBC 裝 置[33]、 西 班 牙Puertollano 的335MWe IGCC[34]等所用的過濾器。3.1.4 兩端支撐結構的多層過濾器

BWE 公司設計的高溫陶瓷過濾器中采用多層布置方式，其中的過濾管采用上下兩端支撐方式[35]，每根過濾管的上部安裝有獨立的引射器和反吹氣體噴嘴。例如西班牙Escatrón 的80MWe PFBC示范電站[35]所用的過濾器。

3.2 高溫過濾器的常用結構形式

3.2.1 行列式高溫過濾器

行列式高溫過濾器的管板多數為矩形，過濾管在管板上按行列等間距方式排布，結構緊湊，常用于工藝氣體流量大和含塵濃度高的高溫氣體凈化領域，尤其適用于常壓或壓力較低的場合。該類過濾器的脈沖反吹系統由儲氣包、脈沖閥、反吹氣體匯管、噴嘴及相應的連接管路組成，其中每根噴吹匯管設有多個噴嘴，每個噴嘴對應一根過濾管。

3.2.2 分組式高溫過濾器

分組式高溫過濾器常用于過濾氣體壓力較高的工況，該類過濾器為圓筒形殼體，圓形管板將過濾管分為若干個組，每組內的幾根或數十根過濾管共用一套脈沖反吹系統[1]。美國Pall 公司設計的SZorb工藝用分組式高溫過濾器，脈沖反吹氣體經過倒U形的管路進入反吹氣體匯管，每根匯管下部位置裝有多個反吹氣體噴嘴，每個噴嘴對應一根過濾管。

3.3 高溫過濾器的主要輔助部件

3.3.1 高溫脈沖閥

高溫脈沖閥是高溫過濾器脈沖反吹系統的重要組成部分，常將脈沖閥出口壓力峰值、耗氣量、開關靈敏度等作為指標對其進行性能評價[36-38]。目前Shell 煤氣化選用Müller Coax 公司生產的型號為V2-DN80/PN100-NC 的脈沖閥，滿足8000h內脈沖反吹次數為78000～186000次的工藝運行需求，脈沖閥上游氣體壓力為6～8.1MPa，出口壓力為3.0～4.0MPa，要求的疲勞壽命大于10 萬次，并可在200ms以內迅速完成閥門的打開和關閉。而S-Zorb工藝用高溫反應油氣過濾器中，所使用的脈沖閥為氣動球閥，閥門開啟和關閉時間可控制在2s以內。

3.3.2 失效保護濾芯

根據工作原理通常將失效保護元件劃分為三種類型：基于過濾原理的被動式失效保護濾芯、基于顆粒黏附作用的被動式失效保護濾芯和基于閥門密封原理的主動式失效保護機構[39-44]。針對頻繁發生的過濾管斷裂等問題，Pall公司研發了一種串聯在過濾管出口位置的失效保護濾芯，該保護濾芯一般選用深層過濾元件，當過濾管發生斷裂時，保護濾芯內部孔隙通道迅速沉積粉塵，阻力快速增加，避免了過濾管斷裂引起的含塵氣體向凈化氣體側的泄漏。Shell 煤氣化工藝在每根過濾管上部都安裝了金屬纖維濾芯作為失效保護濾芯，其外徑為60mm，內徑為44mm，長度為250mm。

3.4 新型脈沖反吹系統

3.4.1 壓力脈沖耦合清灰系統

Pall 公司提出了一種新型的壓力脈沖耦合（couple pressure pulse，CPP）裝置，該裝置將反吹氣體噴嘴更換為大直徑的噴出管，同時用具有失效保護濾芯功能的多孔管將反吹氣體排出管直接與過濾管集成在一起[45-46]。由于CPP 裝置的噴管直徑較大，提高了反吹氣體流量，可選用較低的反吹氣體壓力，且反吹氣體噴管與過濾管為一個整體，使反吹清灰強度沿過濾管長度方向更加均勻。

3.4.2 旋風分離器與過濾器耦合裝置

Sharma 等[47-48]提出了旋風分離器與過濾器的組合結構，利用在高溫過濾器入口位置安裝的氣體引射器，將從過濾管外部空間引出部分含塵氣體進入旋風分離器，引出的這部分含塵氣體在沿過濾管外壁向下流動過程中，會將剪切下來的粉塵帶入到旋風分離器內，并分離出直徑較大的粉塵顆粒，從而降低了過濾管外表面的粉塵層厚度的增長速率，減少了過濾管的脈沖反吹次數。與傳統的多管過濾器相比，利用該耦合裝置的過濾管表觀速度可以提高40%～60%，在處理氣量相同的情況下降低了過濾器的直徑。

4 結語

（1）隨著潔凈煤聯合循環發電技術的發展和環境保護要求的提高，高溫氣固分離技術取得了重要進展。以多孔陶瓷材料和多孔金屬材料制備的過濾元件具有過濾效率高、耐高溫性能好和抗腐蝕強等特點，已廣泛應用于煤氣化、石油催化裂化、生物質氣化、垃圾焚燒和熱解及冶金等各個行業。

（2）催化反應與顆粒物分離復合元件具有廣泛的應用潛力，可應用于以下三種工藝過程：煙氣排放處理過程的氮氧化物脫除、生物質氣化合成氣處理過程中催化裂解焦油轉化、催化燃燒反應中脫除可揮發性有機物化合物。

（3）石油化工和煤化工領域用高溫過濾器具有處理氣量大、操作壓力高、顆粒物性差別大等特點，過濾管的失效直接影響到整個工藝的運行壽命和經濟可靠性，因此在高溫過濾器的脈沖反吹系統的先進設計、過濾器性能的失效診斷和實時在線運行優化等方面需要開展深入的研究。